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EP1291990A1 - Composant optique semiconducteur et procédé de fabrication d'un tel composant - Google Patents

Composant optique semiconducteur et procédé de fabrication d'un tel composant Download PDF

Info

Publication number
EP1291990A1
EP1291990A1 EP02292132A EP02292132A EP1291990A1 EP 1291990 A1 EP1291990 A1 EP 1291990A1 EP 02292132 A EP02292132 A EP 02292132A EP 02292132 A EP02292132 A EP 02292132A EP 1291990 A1 EP1291990 A1 EP 1291990A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
semiconductor optical
semiconductor
optical component
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02292132A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Léon Goldstein
Christophe Ougier
Denis Leclerc
Jean Decobert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oclaro North America Inc
Original Assignee
Alcatel CIT SA
Alcatel SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel CIT SA, Alcatel SA filed Critical Alcatel CIT SA
Publication of EP1291990A1 publication Critical patent/EP1291990A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1053—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction
    • H01S5/1064—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction varying width along the optical axis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3054—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure p-doping
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • H01S5/3215—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities graded composition cladding layers

Definitions

  • the present invention relates to the field of optical components semiconductors. More particularly, it relates to an optical component semiconductor comprising a confinement layer of a material p-doped semiconductor as well as a method for manufacturing such a component.
  • a semiconductor optical component such as that a semiconductor optical amplifier is often used in pumping sources of several watts for amplification in particular Raman type of WDM (Wavelength Division) optical signals Multiplexing in English) by means of an optical fiber.
  • WDM Widelength Division
  • the functioning of such an amplifier is based on the use of a so-called active layer which, once supplied with current, ensures the amplification of an optical wave injected as it propagates, wavelength wave generally between 0.8 and 1.6 ⁇ m.
  • a semiconductor optical component includes a layer of containment arranged above the active layer and contributing to the guidance of the wave propagating in the component.
  • the layer of confinement is in a semiconductor material containing acceptors of electrons creating positive free carriers called holes. Conduction electrical is then mainly produced by these holes: doping is said p-type. This doping makes it possible in particular to obtain a layer of semiconductor confinement with electrical resistance lower than the intrinsic resistance of the semiconductor which in particular avoids excessive heating of the component and ensures good injection of current in the active layer.
  • doping introduces losses in the optical component, for example by photoabsorption. Indeed, these holes are capable of absorbing the photons emitted by the active layer, thus limiting the available optical power of the component.
  • the confinement layer defines a plane parallel to the layer active. In the current components, the concentration of p dopants is uniform in this plane. To set the concentration value, a compromise is therefore made to obtain resistance at the same time and the lowest possible overall losses.
  • the probability of photoabsorption is all the greater as the optical power, that is to say the number of photons is high. So at a given p dopant concentration, the losses generated are more important in certain regions of the optical component.
  • the intrinsic resistance of the confinement layer may vary locally for example when the thickness or the width of the layer is variable.
  • the object of the present invention is therefore to develop a semiconductor optical component comprising a confinement layer p-doped semiconductor with optimized opto-electrical properties in each region to increase the performance of the component.
  • the present invention provides a semiconductor optical component comprising a confinement layer made of a semiconductor material containing acceptor dopants so that the doping is of p type, said layer being deposited on another semiconductor layer. and defining a plane parallel to said other layer, characterized in that the p doping concentration of said confinement layer has in one of the directions contained in said plane at least one gradient substantially distinct from zero.
  • the gradient (s) are determined according to the properties local electro-optics in the semiconductor optical component according to the invention.
  • the direction can be the axis of propagation of the light, the optical power being variable along this axis.
  • the sign of the gradient can be negative, which is advantageous in a region requiring minimum optical losses.
  • the semiconductor material also contains donors with concentrations below the concentration of acceptors all over the direction so that doping rest of type p.
  • the p doping concentration corresponds to the difference between the concentration of acceptors and the concentration of donors.
  • the doping gradient can thus be obtained from a donor concentration gradient.
  • the acceptors can be chosen from zinc, magnesium and cadmium and donors can be selected from the silicon or sulfur.
  • the semiconductor material can be chosen from the alloys of column (s) III and / or V of the periodic table of the elements such as alloys based on InP and GaAs.
  • the component is a flared guide semiconductor optical amplifier comprising a flared optical guide of length L along the axis of light propagation disposed between an inlet face and an outlet face, the flared guide having a cross-sectional region having a constant surface so-called constant section for a single mode propagation of light, the constant section region leading to a section region transverse having an increasing surface called increasing section for a reduction of the optical power density of the semiconductor optical amplifier.
  • the confinement layer belongs to the optical guide, and the gradient is negative and is located in the region of increasing section along the propagation axis.
  • the area of the growing section is greater than that of the section constant so the resistance in the region of increasing section is lower than that of the constant section region.
  • the power optics increasing from the input face to the output face, the losses optics are likely to be greater in the section region growing. It is therefore advantageous to reduce the p doping concentration in this region.
  • the gradient is located throughout the region of increasing section for optimization of performance of the component according to the invention.
  • the p doping concentration can be minimal at the output face so as to increase the optical power component available according to the invention.
  • the minimum concentration is between 10 17 cm -3 and 10 18 cm -3 and is preferably substantially equal to 3.10 17 cm -3 .
  • the confinement layer according to the invention is deposited selectively on the opening using the SAG (Selective Area Growth) technique in English) described in the article by A.M. Jones et al entitled “Growth, Characterization, and Modeling of Ternary InGaAs-GaAs Quantum Wells by Selective Area Metalorganic Chemical Vapor Deposition "and published in the Journal of Electronic Materials, Vol 24, N ° 11, 1995, pages 1631-1636.
  • the SAG technique is based on the fact that materials of the GaAs or InP type does not settle on an oxide mask of silica type and therefore diffuses towards the semiconductor type substrate.
  • the method according to the invention may also include a step of total removal of the masking layer subsequent to the deposition step of the containment layer.
  • the process for manufacturing a component according to the invention can include a step of partial removal of the confinement layer after the total removal step.
  • layer can designate a layer single or a superposition of layers fulfilling the same function.
  • Figure 1 a schematic top view of a flared guide semiconductor optical amplifier 10 according to the invention used for example in a pumping source for an amplification of Raman or EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) type of signals WDM by means of an optical fiber.
  • EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier
  • the flared guide semiconductor optical amplifier 10 comprises a flared optical guide G (in dotted lines) of length L equal to approximately 2 mm along the axis of light propagation Z.
  • the optical guide G is disposed between a face of entry Fe of width the equal to approximately 2 ⁇ m and an exit face Fs of width Is equal to approximately 6 ⁇ m.
  • the guide G comprises a region R 1 of length L 2 and having a cross section S 1 of constant surface called constant section S 1 for a single mode propagation of light.
  • the region R 1 leads to a region R 2 of length L 2 equal to a few hundred microns and having a cross section S 2 of increasing surface called increasing section for a reduction of the optical power density of the semiconductor optical amplifier 10.
  • the flared optical guide G is the region at the heart of the invention.
  • Figure 2 a schematic sectional view of the flared optical guide of the guide semiconductor optical amplifier flared of Figure 1 along a plane perpendicular to the faces of the guide G.
  • the confinement layer 6 contains acceptors of electrons A in zinc and, in a lower concentration, donors of electrons D in silicon.
  • FIG. 3 shows a curve 11 representing the doping concentration profile p denoted n p of the confinement layer 6 as a function of the length L of the flared optical guide G along the propagation axis Z.
  • the concentration n p is substantially constant in the region R 1, therefore over the entire length L 1 . Typically, it is equal to about 7.10 17 cm -3 .
  • the concentration n p decreases substantially linearly in the region R 2 and therefore has a constant negative gradient along the axis of propagation of the light Z.
  • Figures 4 to 8 show the steps of a manufacturing process of the flared guide semiconductor optical amplifier of FIG. 1.
  • the method then comprises a step called masking by a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition en English) of a masking layer 12 made of a dielectric material of the type silica on the protective layer 5.
  • PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition en English
  • Figure 5 shows a top view of the optical amplifier semiconductor 10 obtained after a partial elimination step of the masking layer 12 so as to create an opening O above the protective layer 5.
  • the opening O comprises a first zone Zo 1 having a cross section SO 1 of constant surface.
  • the width Io 1 of the constant surface is of the order of 10 ⁇ m.
  • the opening O also includes a zone Zo 2 having a cross section SO 2 of increasing surface.
  • the width Io 2 of the increasing surface at the edge B of the opening O is of the order of 20 to 50 ⁇ m.
  • the length LO of the opening O is substantially greater than the length L of the optical guide G.
  • Figure 6 shows a top view of the optical amplifier semiconductor 10 obtained after a step of depositing the layer of containment 6 by MOVPE.
  • the confinement layer 6 is selectively deposited on the opening O according to the SAG technique. As the atoms of InP or GaAs do not adhere to the silica, there is a lateral diffusion of the atoms towards the opening O.
  • the zone Zo 1 being narrower than the zone Zo 2 , the diffusion is greater in the zone Zo 1 so that the average growth speed V 1 in this zone Zo 1 can be approximately twice as high as the average growth speed V 2.
  • v 1 and v 2 are respectively 2 ⁇ m / h, 1 ⁇ m / h at a temperature of the optical semiconductor amplifier of the order of 600 ° C and for a given flux containing In and P or Ga and As.
  • the average thicknesses of layer 6 in zones Zo 1 and Zo 2 are equal to approximately 1 ⁇ m and 0.5 ⁇ m.
  • the flow of InP or of GaAs a flux comprising A acceptors such as zinc as the flux of diethyl zinc and a flux comprising D donors such as silicon like the silane flow.
  • the zinc concentration is almost independent of the growth rate, it is almost identical in zones Zo 1 and Zo 2 .
  • the silicon concentration being inversely proportional to the growth rate V 1 , V 2 , it is higher in the zone Zo 2 and is maximum at the level of the edge B.
  • the concentration n p in p doping is therefore substantially constant in the region Zo 1 along the axis Z and is equal to approximately 7.10 17 cm -3 .
  • the concentration n p has a constant negative gradient in the region Zo 2 , along the axis Z.
  • the concentration np at the edge B is approximately of the order of 3.10 17 cm -3 .
  • Figure 7 shows a top view of the optical amplifier semiconductor 10 obtained after a step of total removal of the masking layer 12 which is subsequent to the step of depositing the layer of containment 6.
  • FIG. 8 shows an elevation view of the semiconductor optical amplifier 10 obtained after a step of partial removal of the confinement layer 6 outside the region R G in order to limit the confinement layer 6 in the optical guide G .
  • the invention can also be applied to an optical component semiconductor having a cross-section optical guide constant as well as all categories of semiconductor optical amplifiers : buried ribbon semiconductor optical amplifier, Gain-guided semiconductor optical amplifier and amplifier semiconductor optics with index guidance.
  • the invention can also be used in optical components for which the desired current density is not uniform, such as certain components with an interferometric structure of the Mach Zehnder type. Of In this way, the invention can thus replace the solution based on the design of a so-called distributed electrode.
  • the shape of the opening O is chosen as a function of the gradients according to the invention desired. This or these gradients can be constants or variables along the chosen direction.
  • the cross section or sections of an optical guide of a component semiconductor optics according to the invention can be rectangular or trapezoidal.

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Abstract

La présente invention concerne le domaine des composants optiques semi-conducteurs. Plus particulièrement, elle concerne un composant optique semi-conducteur comportant une couche de confinement (6) en un matériau semi-conducteur contenant des dopants accepteurs (A) de sorte que le dopage est de type p, ladite couche étant déposée sur une autre couche semiconductrice (5) et définissant un plan parallèle à ladite autre couche. En outre, la concentration en dopage p de ladite couche de confinement (6) présente suivant l'une des directions (Z) contenues dans ledit plan au moins un gradient sensiblement distinct de zéro. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel composant. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne le domaine des composants optiques semi-conducteurs. Plus particulièrement, elle concerne un composant optique semi-conducteur comprenant une couche de confinement en un matériau semi-conducteur dopé p ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel composant.
De manière connue, un composant optique semi-conducteur tel qu'un amplificateur optique semi-conducteur est souvent utilisé dans les sources de pompage de plusieurs watts pour une amplification notamment de type Raman de signaux optiques de type WDM (Wavelength Division Multiplexing en anglais) au moyen d'une fibre optique. Le fonctionnement d'un tel amplificateur est fondé sur l'utilisation d'une couche dite active qui, une fois alimentée en courant, assure l'amplification d'une onde optique injectée au fur et à mesure de sa propagation, onde de longueur d'onde généralement comprise entre 0,8 et 1,6 µm.
Un composant optique semi-conducteur comprend une couche de confinement disposée au-dessus de la couche active et contribuant au guidage de l'onde se propageant dans le composant. La couche de confinement est en un matériau semi-conducteur contenant des accepteurs d'électrons créant des porteurs libres positifs dits trous. La conduction électrique est alors majoritairement réalisée par ces trous : le dopage est dit de type p. Ce dopage permet notamment d'obtenir une couche de confinement semi-conductrice de résistance électrique inférieure à la résistance intrinsèque du semi-conducteur ce qui évite notamment un échauffement trop important du composant et assure une bonne injection de courant dans la couche active. Cependant, un tel dopage introduit des pertes dans le composant optique par exemple par photoabsorption. En effet, ces trous sont susceptibles d'absorber les photons émis par la couche active, limitant ainsi la puissance optique disponible du composant.
La couche de confinement définit un plan parallèle à la couche active. Dans les composants actuels, la concentration en dopants p est uniforme dans ce plan. Pour fixer la valeur de la concentration, un compromis est donc réalisé pour obtenir en même temps une résistance et des pertes globales les plus faibles possibles.
Or la probabilité de photoabsorption est d'autant plus grande que la puissance optique c'est-à-dire le nombre de photons est élevé. Ainsi, à une concentration en dopants p donnée, les pertes engendrées sont plus importantes dans certaines régions du composant optique. De même, la résistance intrinsèque de la couche de confinement peut varier localement par exemple lorsque l'épaisseur ou la largeur de la couche est variable.
La présente invention a donc pour objet de mettre au point un composant optique semi-conducteur comprenant une couche de confinement semi-conductrice dopée p ayant des propriétés opto-électriques optimisées dans chaque région afin d'augmenter les performances du composant.
A cet effet, la présente invention propose un composant optique semi-conducteur comportant une couche de confinement en un matériau semi-conducteur contenant des dopants accepteurs de sorte que le dopage est de type p, ladite couche étant déposée sur une autre couche semi-conductrice et définissant un plan parallèle à ladite autre couche,
caractérisé en ce que la concentration en dopage p de ladite couche de confinement présente suivant l'une des directions contenues dans ledit plan au moins un gradient sensiblement distinct de zéro.
Le ou les gradients sont déterminés en fonction des propriétés électro-optiques locales souhaitées dans le composant optique semi-conducteur selon l'invention.
Avantageusement, la direction peut être l'axe de propagation de la lumière, la puissance optique étant variable le long de cet axe.
Selon l'invention, le signe du gradient peut être négatif ce qui est avantageux dans une région nécessitant des pertes optiques minimum.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le matériau semi-conducteur contient en outre des donneurs de concentration inférieure à la concentration en accepteurs sur toute la direction de sorte que le dopage reste de type p.
Dans cette configuration, la concentration en dopage p correspond à la différence entre la concentration en accepteurs et la concentration en donneurs. Le gradient de dopage peut ainsi être obtenu à partir d'un gradient de concentration en donneurs.
De préférence, les accepteurs peuvent être choisis parmi le zinc, le magnésium et le cadmium et les donneurs peuvent être choisis parmi le silicium ou le soufre.
Selon l'invention, le matériau semi-conducteur peut être choisi parmi les alliages de(s) colonne(s) III et/ou V du tableau périodique des éléments tels que les alliages à base d'InP et de GaAs.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le composant est un amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé comportant un guide optique évasé de longueur L selon l'axe de propagation de la lumière disposé entre une face d'entrée et une face de sortie, le guide évasé comportant une région de section transversale ayant une surface constante dite section constante pour une propagation monomode de la lumière, la région de section constante débouchant sur une région de section transversale ayant une surface croissante dite section croissante pour une réduction de la densité de puissance optique de l'amplificateur optique semi-conducteur. En outre, la couche de confinement appartient au guide optique, et le gradient est négatif et est situé dans la région de section croissante selon l'axe de propagation.
La surface de la section croissante est supérieure celle de la section constante de sorte que la résistance dans la région de section croissante est inférieure à celle de la région de section constante. De plus, la puissance optique augmentant de la face d'entrée jusqu'à la face de sortie, les pertes optiques sont susceptibles d'être supérieures dans la région de section croissante. Il est donc avantageux de diminuer la concentration en dopage p dans cette région.
Dans une configuration de ce dernier mode de réalisation, le gradient est situé sur toute la région de section croissante pour une optimisation des performances du composant selon l'invention.
Avantageusement, la concentration en dopage p peut être minimale au niveau de la face de sortie de façon à augmenter la puissance optique disponible du composant selon l'invention.
En outre, dans ce dernier mode de réalisation, la concentration minimale est comprise entre 1017 cm-3 et 1018 cm-3 et est de préférence sensiblement égale à 3.1017 cm-3.
L'invention propose également un procédé de fabrication d'un composant optique semi-conducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes :
  • une étape dite de masquage par dépôt d'une couche de masquage en un matériau diélectrique de type silice sur une autre couche semi-conductrice,
  • une étape d'élimination partielle de la couche de masquage de manière à créer une ouverture laissant apparente ladite autre couche,
  • une étape de dépôt de la couche de confinement, la couche de confinement étant déposée sélectivement dans l'ouverture.
La couche de confinement selon l'invention est déposée sélectivement sur l'ouverture selon la technique SAG (Selective Area Growth en anglais) décrite dans l'article de A.M.Jones et al intitulé « Growth, Characterization, and Modeling of Ternary InGaAs-GaAs Quantum Wells by Selective Area Metalorganic Chemical Vapor Deposition » et paru dans le Journal of Electronic Materials, Vol 24, N°11, 1995, pages 1631-1636. La technique SAG est fondée sur le fait que les matériaux du type GaAs ou InP ne se dépose pas sur un masque d'oxyde de type silice et diffuse donc vers le substrat de type semi-conducteur.
Le procédé selon l'invention peut comporter en outre une étape de suppression totale de la couche de masquage ultérieure à l'étape de dépôt de la couche de confinement.
Le procédé de fabrication d'un composant selon l'invention peut comporter une étape de suppression partielle de la couche de confinement après l'étape de suppression totale.
Les caractéristiques et objets de la présente invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-après en regard des figures annexées, présentées à titre illustratif et nullement limitatif.
Dans ces figures :
  • la figure 1 représente une vue schématique de dessus d'un amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé selon l'invention,
  • la figure 2 représente une vue schématique en coupe du guide optique de l'amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé de la figure 1 selon un plan perpendiculaire aux faces du guide G,
  • la figure 3 représente le profil de concentration en dopage p d'une couche de confinement du guide optique de la figure 2 en fonction de la longueur du guide optique selon l'axe de propagation de la lumière Z,
  • les figures 4 à 8 représentent les étapes d'un procédé de fabrication selon l'invention de l'amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé de la figure 1.
Dans tout ce qui suit, le terme couche peut désigner une couche unique ou une superposition de couches remplissant la même fonction.
On a représenté en figure 1 une vue schématique de dessus d'un amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé 10 selon l'invention utilisé par exemple dans une source de pompage pour une amplification de type Raman ou EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier en anglais) de signaux WDM au moyen d'une fibre optique .
L'amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé 10 comporte un guide optique évasé G (en trait pointillé) de longueur L égale à 2 mm environ selon l'axe de propagation de la lumière Z. Le guide optique G est disposé entre une face d'entrée Fe de largeur le égale à 2 µm environ et une face de sortie Fs de largeur Is égale à 6 µm environ. Le guide G comporte une région R1 de longueur L2 et ayant une section transversale S1 de surface constante dite section constante S1 pour une propagation monomode de la lumière.
La région R1 débouche sur une région R2 de longueur L2 égale à quelques centaines de microns et ayant une section transversale S2 de surface croissante dite section croissante pour une réduction de la densité de puissance optique de l'amplificateur optique semi-conducteur 10.
Le guide optique évasé G est la région au coeur de l'invention.
Aussi, on a représenté en figure 2 une vue schématique en coupe du guide optique évasé de l'amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé de la figure 1 selon un plan perpendiculaire aux faces du guide G.
Le guide optique évasé G comprend un support 1 en GaAs sur lequel est déposé par épitaxie de type MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy en anglais) :
  • une couche de confinement dite inférieure 2 en un alliage semi-conducteur à base d'InP ou de GaAs dopé en donneurs d'électrons donc de type n,
  • une couche tampon 3 semi-conductrice, favorisant la croissance des couches suivantes,
  • une couche active 4 destinée à amplifier de la lumière, éventuellement à puits quantique en un alliage semi-conducteur à base d'InP ou de GaAs,
  • une autre couche dite de protection 5 semi-conductrice d'épaisseur de l'ordre de 0,1 µm,
  • une couche de confinement 6 selon l'invention en un alliage semi-conducteur à base d'InP ou de GAaS dopé n, d'épaisseur variant longitudinalement de 0,5 µm à 1 µm environ,
  • une couche dite de contact 7 semi-conductrice fortement dopée p participant à la bonne injection de courant électrique,
  • une couche de métallisation 8 métallique.
La couche de confinement 6 contient des accepteurs d'électrons A en zinc et, en moindre concentration, des donneurs d'électrons D en silicium. La concentration en dopage p notée np correspondant à la différence entre la concentration en accepteurs A et celle en donneurs D.
La figure 3 montre une courbe 11 représentant le profil de concentration en dopage p notée np de la couche de confinement 6 en fonction de la longueur L du guide optique évasé G selon l'axe de propagation Z.
La concentration np est sensiblement constante dans la région R1 donc sur toute la longueur L1. Typiquement, elle est égale à environ 7.1017 cm-3. La concentration np décroít sensiblement linéairement dans la région R2 et présente donc un gradient négatif constant selon l'axe de propagation de la lumière Z. La valeur minimale de la concentration en dopage p est au niveau de la face de sortie Fs (voir figure 1) en Z=L et est sensiblement égale à 3.1017.
Les figures 4 à 8 représentent les étapes d'un procédé de fabrication de l'amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé de la figure 1.
La figure 4 présente une coupe longitudinale de l'amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé 10 obtenu après une série de dépôts successifs par épitaxie de type MOVPE sur une même face d'un support 1 de type GaAs:
  • dépôt de la couche de confinement inférieure 2,
  • dépôt de la couche tampon 3,
  • dépôt de la couche active 4,
  • dépôt de la couche de protection 5,
Le procédé comprend ensuite une étape dite de masquage par un dépôt de type PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition en anglais) d'une couche de masquage 12 en un matériau diélectrique de type silice sur la couche de protection 5.
La figure 5 montre une vue du dessus de l'amplificateur optique semi-conducteur 10 obtenu après une étape d'élimination partielle de la couche de masquage 12 de manière à créer une ouverture O au-dessus de la couche de protection 5.
L'ouverture O comprend une première zone Zo1 ayant une section transversale SO1 de surface constante. La largeur Io1 de la surface constante est de l'ordre de 10 µm. L'ouverture O comprend aussi une zone Zo2 ayant une section transversale SO2 de surface croissante. La largeur Io2 de la surface croissante au niveau du bord B de l'ouverture O est de l'ordre de 20 à 50 µm. La longueur LO de l'ouverture O est sensiblement supérieure à la longueur L du guide optique G.
On a représenté dans l'ouverture 0 une région RG en trait pointillé qui correspond à la région contenant la couche de confinement 6 une fois l'amplificateur optique semi-conducteur fini.
La figure 6 montre une vue du dessus de l'amplificateur optique semi-conducteur 10 obtenu après une étape de dépôt de la couche de confinement 6 par MOVPE.
La couche de confinement 6 est déposée sélectivement sur l'ouverture O selon la technique SAG. Les atomes d'InP ou de GaAs n'adhérant pas sur la silice, il se produit une diffusion latérale des atomes vers l'ouverture O. La zone Zo1 étant plus étroite que la zone Zo2, la diffusion est plus importante dans la zone Zo1 de sorte que la vitesse de croissance moyenne V1 dans cette zone Zo1 peut être environ deux fois supérieure à la vitesse de croissance moyenne V2.
A titre d'exemple v1 et v2 valent respectivement 2 µm/h, 1 µm/h à une température de l'amplificateur optique semi-conducteur de l'ordre de 600°C et pour un flux donné contenant de l'In et du P ou du Ga et de l'As. Pour un temps de dépôt de l'ordre de 30 minutes, les épaisseurs moyenne de la couche 6 dans les zone Zo1 et Zo2 sont égales à environ 1 µm et 0,5 µm.
En outre, pour réaliser le dopage p, on ajoute au flux d'InP ou de GaAs un flux comprenant des accepteurs A tels que du zinc comme le flux de diéthyl zinc et un flux comprenant des donneurs D tels que du silicium comme le flux de silane.
La concentration en zinc étant quasiment indépendante de la vitesse de croissance elle est quasi identique dans le zones Zo1 et Zo2. Par contre, la concentration en silicium étant inversement proportionnelle à la vitesse de croissance V1, V2, elle est supérieure dans la zone Zo2 et est maximale au niveau du bord B.
La concentration np en dopage p est donc sensiblement constante dans la région Zo1 le long de l'axe Z et est égale à environ 7.1017 cm-3. La concentration np présente un gradient négatif constant dans la région Zo2, le long de l'axe Z. La concentration np au niveau du bord B est sensiblement de l'ordre de 3.1017 cm-3.
La figure 7 montre une vue du dessus de l'amplificateur optique semi-conducteur 10 obtenu après une étape de suppression totale de la couche de masquage 12 qui est ultérieure à l'étape de dépôt de la couche de confinement 6.
La figure 8 montre une vue en élévation de l'amplificateur optique semi-conducteur 10 obtenu après une étape de suppression partielle de la couche de confinement 6 en dehors de la région RG afin de limiter la couche de confinement 6 dans le guide optique G.
Ensuite sont réalisées classiquement une série d'étapes de dépôt et de masquage, de gravure pour obtenir l'amplificateur optique semi-conducteur 10.
L'invention peut également s'appliquer à un composant optique semi-conducteur comportant un guide optique à section transversale constante ainsi qu'à toutes les catégories d'amplificateurs optiques semi-conducteur : amplificateur optique semi-conducteur à ruban enterré, amplificateur optique semi-conducteur à guidage par le gain et amplificateur optique semi-conducteur à guidage par l'indice.
L'invention peut aussi s'employer dans des composants optiques pour lesquels la densité de courant souhaitée est non uniforme, tels que certains composants à structure interférométrique de type Mach Zehnder. De cette façon, l'invention peut ainsi se substituer à la solution basée sur la conception d'une électrode dite distribuée.
En outre, on choisit la forme de l'ouverture O en fonction du ou des gradients selon l'invention souhaités. Ce ou ces gradients peuvent être constants ou variables le long de la direction choisie.
La ou les sections transversales d'un guide optique d'un composant optique semi-conducteur selon l'invention peuvent être rectangulaires ou trapézoïdales.

Claims (14)

  1. Composant optique semi-conducteur (10) comportant une couche de confinement (6) en un matériau semi-conducteur contenant des dopants accepteurs (A) de sorte que le dopage est de type p, ladite couche étant déposée sur une autre couche semi-conductrice (5) et définissant un plan parallèle à ladite autre couche,
    caractérisé en ce que la concentration en dopage p (np) de ladite couche de confinement présente suivant l'une des directions contenues dans ledit plan (Z) au moins un gradient sensiblement distinct de zéro.
  2. Composant optique semi-conducteur (10) selon la revendication 1
    caractérisé en ce que ladite direction est l'axe de propagation de la lumière (Z).
  3. Composant optique semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le signe dudit gradient est négatif.
  4. Composant optique semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit matériau semi-conducteur contient en outre des donneurs (D) de concentration inférieure à la concentration en accepteurs (A) sur toute ladite direction (Z).
  5. Composant optique semi-conducteur (10) selon la revendication 4
    caractérisé en ce que lesdits accepteurs (A) sont choisis parmi le zinc, le magnésium et le cadmium.
  6. Composant optique semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que lesdits donneurs (D) sont choisis parmi le silicium ou le soufre.
  7. Composant optique semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit matériau semi-conducteur est choisi parmi les alliages de(s) colonne(s) III et/ou V du tableau périodique des éléments tels que les alliages à base d'InP et de GaAs.
  8. Composant optique semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ledit composant est un amplificateur optique semi-conducteur à guide évasé comportant un guide optique évasé (G) de longueur L selon l'axe de propagation (Z) de la lumière disposé entre une face d'entrée (Fe) et une face de sortie (Fs),
    en ce que ledit guide évasé comporte une région de section transversale (R1) ayant une surface constante dite section constante (S1) pour une propagation monomode de ladite lumière, ladite région de section constante débouchant sur une région de section transversale (R2) ayant une surface croissante dite section croissante (S2) pour une réduction de la densité de puissance optique dudit amplificateur optique semi-conducteur,
    en ce que ladite couche de confinement (6) appartient audit guide optique et en ce que ledit gradient est négatif et est situé dans ladite région de section croissante selon ledit axe de propagation.
  9. Composant optique semi-conducteur (10) selon la revendication 8
    caractérisé en ce que ledit gradient est situé sur toute ladite région de section croissante (R2).
  10. Composant optique semi-conducteur (10) selon l'une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce que ladite concentration en dopage p (np) est minimale au niveau de ladite face de sortie (Fs).
  11. Composant optique semi-conducteur (10) selon la revendication 10 caractérisé en ce que ladite concentration minimale (np) est comprise entre 1017 cm-3 et 1018 cm-3 et de préférence sensiblement égale à 3.1017 cm-3.
  12. Procédé de fabrication d'un composant optique semi-conducteur (10) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes :
    une étape dite de masquage par dépôt d'une couche de masquage (12) en un matériau diélectrique de type silice sur une autre couche semi-conductrice (5),
    une étape d'élimination partielle de ladite couche de masquage de manière à créer une ouverture (O) laissant apparente ladite autre couche (5),
    une étape de dépôt de ladite couche de confinement (6), ladite couche de confinement étant déposée sélectivement dans ladite ouverture.
  13. Procédé de fabrication d'un composant (10) selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de suppression totale de ladite couche de masquage (12) ultérieure à ladite étape de dépôt de ladite couche de confinement (6).
  14. Procédé de fabrication d'un composant (10) selon la revendication 13 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de suppression partielle de ladite couche de confinement (6) après ladite étape de suppression totale.
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